Khi dùng một tia X có bƣớc sóng xác định chiếu vào mẫu chất thì khả năng phản xạ cực đại phụ thuộc vào góc θ giữa tia X chiếu vào và mặt phẳng tinh thể. Nếu tăng đều đặn tƣơng ứng với các giá trị n = 1, 2, 3… thì sự phản xạ sẽ cực đại tƣơng ứng với các giá trị của θ nhƣ sau:
θ1 = arsin 1. θ2 = arsin 2. θ3 = arsin 3. … θn = arsin n.
Căn cứ các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm đƣợc 2θ. Từ đó suy ra d theo hệ thức Vulf – Bragg. So sánh giá trị d tìm đƣợc với d chuẩn sẽ xác định đƣợc thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Cƣờng độ của các đỉnh phổ thay đổi theo giá trị của hay theo bậc phản xạ, do đó khi nghiên cứu cƣờng độ của phổ tia X có thể nhận đƣợc các thông tin về sự sắp xếp các mặt phẳng của các nguyên tử khác nhau trong tinh thể.
c. Thực nghiệm
Phổ nhiễu xạ Rơnghen đƣợc ghi trên máy HUT-PCM Brucker D8, sử dụng ống tia Rơnghen bằng Cu với bƣớc sóng Kα = 1,5406 x 10-8 cm tại Khoa Hóa học, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
2.3.2. Các phƣơng pháp hiển vi điện tử
Hiển vi điện tử là phƣơng pháp sử dụng chùm tia electron năng lƣợng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ. Kết quả thu đƣợc qua những khảo sát này phản ánh về mặt hình thái học, diện mạo học và tinh thể học của vật liệu mà chúng ta cần xác định. Phƣơng diện hình thái bao gồm hình dạng và kích thƣớc của hạt cấu trúc nên vật liệu. Diện mạo là các đặc trƣng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt hoặc độ cứng của vật liệu. Phƣơng diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể nhƣ thế nào. Chúng có thể sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vơ định hình. Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hƣởng đến các tính chất nhƣ độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu.
Các phƣơng pháp hiển vi điện tử đƣợc phát triển để thay thế các phƣơng pháp hiển vi quang học bị hạn chế bởi độ phóng đại, chỉ đạt đƣợc 500 – 1000 lần với độ phân giải 0,2 micromet. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là phƣơng pháp hiển vi
quang học truyền qua (những năm đầu 1930). Phƣơng pháp này sử dụng một chùm electron thay thế chùm sáng chiếu xuyên qua mẫu vật và thu đƣợc những thông tin về cấu trúc và thành phần của nó giống nhƣ cách sử dụng hiển vi quang học.
Các bƣớc để thu đƣợc một ảnh hiển vi điện tử gồm:
+ Một dịng electron hình thành từ một nguồn electron đƣợc tăng tốc hƣớng về phía mẫu đƣợc tích điện dƣơng.
+ Chùm electron đƣợc điều khiển và hội tụ nhờ những khe hở và các thấu kính hội tụ từ tính hình thành một chùm tia nhỏ, đơn sắc.
+ Chùm electron đƣợc hội tụ vào mẫu nhờ sử một thấu kính điện tử. + Do xảy ra những tƣơng tác xảy ra bên trong của mẫu nên chùm tia chiếu vào sẽ bị ảnh hƣởng đồng thời xảy ra các bức xạ thứ cấp.
+ Những tƣơng tác và ảnh hƣởng trên đƣợc ghi lại, khuyếch đại và chuyển thành hình ảnh hoặc đƣợc phân tích để thu đƣợc những thơng tín có giá trị khác.
2.2.2.1. Hiển vi điện tử quét (SEM)
Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét đƣợc phát triển lần đầu tiên vào năm 1942 và thiết bị có giá trị thƣơng mại đƣợc giới thiệu vào năm 1965. Phƣơng pháp này đƣợc phát triển muộn hơn so với TEM là do những khó khăn về mặt điện tử trong việc quét dòng electron.
Hình 2.3: Sơ đồ ngun lý của kính hiển vi điện tử quét
Hình 2.3: là sơ đồ đơn giản của thiết bị SEM, chùm electron từ ống phóng đƣợc đi qua một vật kính và đƣợc lọc thành một dịng hẹp. Vật kính chứa một số cuộn dây ( cuộn lái electron ) đƣợc cung cấp với điện thế thay đổi, cuộn dây tạo nên một trƣờng điện từ tác động lên chùm electron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt mẫu tạo thành trƣờng quét. Tín hiệu của cuộn lái cũng đƣợc chuyển đến ống catôt để điều khiển quá trình quét ảnh trên màn hình đồng bộ với quá trình quét chùm electron trên bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó đƣợc chuyển thành tín hiệu điện và đƣợc khuếch đại. Tín hiệu điện đƣợc gửi tới ống tia catôt và đƣợc quét lên màn hình tạo nên ảnh. Độ nét của ảnh đƣợc xác định bởi số hạt thứ cấp đập vào ống tia catơt, số hạt này lại phụ thuộc vào góc bắn ra của electron khỏi bề mặt mẫu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm bề mặt. Vì thế ảnh thu đƣợc sẽ phản ánh diện mạo bề mặt của vật liệu.
Thực nghiệm: Mẫu đƣợc chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) đƣợc chụp trên máy JEOSJSM-5410LV. Tại Viện vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng – Hà nội.
Mặc dù phát triển trƣớc nhƣng đến bây giờ TEM mới tỏ ra có ƣu thế hơn SEM trong lĩnh vực vật liệu mới. Nó có thể dễ dàng đạt đƣợc độ phóng đại 400.000 lần với nhiều vật liệu, và với các nguyên tử nó có thể đạt đƣợc độ phóng đại tới 15 triệu lần. Cấu trúc của thiết bị TEM khá giống với một máy chiếu (projector), một chùm sáng đƣợc phóng qua xuyên phim (slide) và kết quả thu đƣợc sẽ phản ánh những chủ đề đƣợc thể hiện trên đó, hình ảnh sẽ đƣợc phóng to và hiển thị lên màn chiếu.
Các bƣớc của ghi ảnh TEM cũng tƣơng tự: chiếu một chùm electron qua một mẫu vật, tín hiệu thu đƣợc sẽ đƣợc phóng to và chuyển lên màn huỳnh quang cho ngƣời sử dụng quan sát. Mẫu vật liệu chuẩn bị cho TEM phải mỏng để cho phép electron có thể xuyên qua giống nhƣ tia sáng có thể xuyên qua vật thể trong hiển vi quang học, do đó việc chuẩn bị mẫu sẽ quyết định tới chất lƣợng của ảnh TEM.
Hình 2.4: Sơ đồ ngun lí của kính hiển vi điện tử truyền qua
+ Một chùm electron đƣợc tạo ra từ nguồn cung cấp.
+ Chùm electron này đƣợc tập trung lại thành dịng electron hẹp bởi các thấu kính hội tụ điện từ.
+ Dòng electron đập vào mẫu và một phần sẽ xuyên qua mẫu.
+ Phần truyền qua sẽ đƣợc hội tụ bởi một thấu kính và hình thành ảnh. + Ảnh đƣợc truyền từ thấu kính đến bộ phận phóng đại.
+ Cuối cùng tín hiệu tƣơng tác với màn hình huỳnh quang và sinh ra ánh sáng cho phép ngƣời dùng quan sát đƣợc ảnh. Phần tối của ảnh đại diện cho vùng mẫu đã cản trở, chỉ cho một số ít electron xuyên qua (vùng mẫu dày hoặc có mật độ cao). Phần sáng của ảnh đại diện cho những vùng mẫu không cản trở, cho nhiều electron truyền qua (vùng này mỏng hoặc có mật độ thấp).
Tuy có độ phóng đại và độ phân giải cao hình ảnh của TEM khơng thể hiện đƣợc tính lập thể của vật liệu. Nhiều trƣờng hợp ngƣời ta sử dụng kết hợp phƣơng pháp SEM và TEM để khai thác những ƣu điểm của hai phƣơng pháp này.
Trong các phƣơng pháp hiển vi điện tử, khi các electron va chạm với hạt nhân nguyên tử của mẫu sẽ xảy ra hàng loạt các hiệu ứng khác nhau và dựa trên những hiệu ứng này ngƣời ta có thể kết hợp hiển vi điện tử với các phƣơng pháp phân tích định tính cũng nhƣ định lƣợng
Chùm electron sơ cấp
Electron trun qua (Nghiên cứu cấu trỳc bên trong bằng ảnh TEM, STEM) ...
Chïm electron thø cÊp (Th«ng tin vỊ bỊ mỈt: SEM) Các electron bắn ra sát bề mặt mÉu (Th«ng tin vỊ ngun tố, tính chất hố học các lớp bề mặt: AES, SAM) Ph¸t quang cat«t (Xác định sự phân bố mức năng lượng)
Bức xạ Rơngen (vi phân tích và xác định sù ph©n bè nguyên tố: WDS, EDS, EPMA)
Hạt mang ®iƯn Photon
Hấp thụ dịng để nghiên cøu tÝnh b¸n dÉn C¸c electron phản xạ
ngược lại (Nghiên cứu bề mặt và thơng tin về sè nguyªn tư)
Hình 2.5: Sơ đồ cho thấy sự phong phú về thông tin thu được từ tương tác giữa chùm điện tử với mẫu trong nghiên cứu hiển vi điện tử
Thực nghiệm: Mẫu đƣợc chụp bằng Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đƣợc chụp trên máy JEOL.JEM.1010 của Nhật bản. Tại Viện vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng
2.3.3. Phổ hồng ngoại IR
Phƣơng pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ƣu điểm quan trọng nhất của phƣơng pháp phổ hồng ngoại so với những phƣơng pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hƣởng từ điện tử…) là phƣơng pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, khơng địi hỏi các phƣơng pháp tính tốn phức tạp.
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hố học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tƣơng ứng với các nhóm chức đặc trƣng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hố học. Bởi vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học coi nhƣ "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.
Phân tử bị kích thích lên mức năng lƣợng cao hơn khi chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Sự hấp thụ này đƣợc lƣợng tử hóa: phân tử hấp thụ chỉ các tần số (năng lƣợng) đƣợc lựa chọn của bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngại là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba, đƣợc chia thành 3 vùng:
- Vùng hồng ngoại xa, còn gọi là vùng quay, từ 25 ÷ 200μm. - Vùng hồng ngoại thƣờng, từ 2,5 ÷ 25 μm.
- Vùng hồng ngoại gần, từ 0,8 ÷ 2,5 μm.
Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong khoảng 2,5 ÷ 25 μm (có số sóng 4000 ÷ 400 cm-1). Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử.
Mẫu xúc tác đƣợc ghi trên máy FTIR 8101M SHIMADZU ở nhiệt độ phòng trong vùng dao động 4000 ÷ 400 cm-1, Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.3.4 .Phổ tán xạ năng lƣợng tia X ( EDX):
Phổ phân tán năng lƣợng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lƣợng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thƣờng đƣợc viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy-dispersive X-ray spectroscopy.( quang phổ của các tia X phân tán năng lƣợng)
Nguyên lý của EDX: Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực hiện trong các kính
hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley[1]:
Có nghĩa là, tần số tia X (hay bƣớc song tia X) phát ra là đặc trƣng cho nguyên tử của các nguyên tố của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thơng tin về các ngun tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển trong các kính hiển vi điện tử qt, ở đó các phép phân tích đƣợc thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lƣợng cao và đƣợc thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lƣợng photon tia X) trải trong một vùng rộng và đƣợc phân tích nhờ phổ kế phân tán năng lƣợng do đó ghi nhận thơng tin về các nguyên tố cũng nhƣ thành phần. Kỹ thuật EDX đƣợc phát triển từ những năm 1960s và thiết bị thƣơng phẩm
xuất hiện vào đầu những năm 1970s với việc sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.
Kỹ thuật ghi nhận và độ chính xác của EDX: Tia X phát ra từ vật rắn (do
tƣơng tác với chùm điện tử) sẽ có năng lƣợng biến thiên trong dải rộng, sẽ đƣợc đƣa đến hệ tán sắc và ghi nhận (năng lƣợng) nhờ detector dịch chuyển (thƣờng là Si, Ge, Li...) đƣợc làm lạnh bằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tƣơng tác với tia X, rồi đƣợc lái vào một anốt nhỏ. Cƣờng độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector).
Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thƣờng ghi nhận đƣợc sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thƣờng xuất hiện hiệu ứng chồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thƣờng phát ra nhiều đỉnh đặc trƣng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích).
Thực nghiệm
Mẫu xúc tác đƣợc ghi trên máy Varian Vista Ax, Khoa Vật lí, Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.4. Phƣơng pháp tổng hợp HMF 2.4.1. Hóa chất và thiết bị 2.4.1. Hóa chất và thiết bị
a. Hóa chất
+ Fructose (C6H12O6), Merk.
+ Dung môi DMSO (Dimetyl sunfoxit (CH3)2SO), Trung Quốc. + Xúc tác MCM-41 đã sunfo hóa
+ Nƣớc cất.
+ Máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC của hãng Shimadzu, detectơ quang diot (PDA-SPD-M10Avp), bơm LC (10Avp + FCV-10Alvp); degasser DGU-14A, lò CTO-10AFvp, cột sắc ký Cadenzal CD-C18 (250 mm x 4,6 mm x 3 µm)
+ Máy khuấy từ, bình cầu 3 cổ, sinh hàn hồi lƣu, nhiệt kế, bình khí N2, và một số thiết bị khác.
2.4.2. Quy trình thực nghiệm
+ Cân 0.35g fructose và 0.35g xúc tác hòa tan trong 5ml DMSO
+ Lắp hệ thống thiết bị phản ứng hồi lƣu, sục nhẹ dịng khí N2 vào một nhánh của bình cầu.
+ Đun cách thủy ở các nhiệt độ1200C trong khoảng thời gian nhất định + Làm lạnh nhanh hỗn hợp về nhiệt độ phòng
+ Quay ly tâm lọc lấy dung dịch. Rồi lọc rửa tiếp bằng 10 ml dung môi chạy phản ứng ,thu lấy dung dịch (gộp dung dịch thu đƣợc qua 2 lần chiết vảo 1 lọ đựng mẫu tối màu ) bảo quản ở 0-5oC.
+ Thực hiện tiếp tục quy trình trên với sự thay đổi về thời gian (30p-4h), thay đổi về nhiệt độ (1000
C -1800C), thay đổi về khối lƣợng Fructose (0.35g-1.1g)
Hình 2.6: Sơ đồ thiết bị phản ứng tổng hợp HMF từ fructozơ
Hoạt tính chất xúc tác đƣợc đánh giá qua hàm lƣợng nguyên liệu, sản phẩm trong hỗn hợp nguyên liệu trƣớc và sau phản ứng.
+ Độ chuyển hóa đƣợc tính theo cơng thức:
C,% = x 100%
+ Hiệu suất HMF thu đƣợc tính theo cơng thức:
h,% = x 100%
+ Độ chọn lọc sản phẩm đƣợc tính theo cơng thức: S = x 100%
(1 mol frutose phản ứng chuyển hóa thành 1 mol HMF)
2.5. Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính xúc tác
2.5.1. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao ( HPLC )
HPLC là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong phân tích bao gồm cả HPLC pha thƣờng và HPLC pha đảo . Khi chúng ta phải tách riêng các chất thì sắc